沈阳药科大学高等有机化学课件(胡春版)——第三章 有机反应总论

3-2 反应机理及其研究方法
一、什么是反应机理？
反应机理，又称反应历程，反应物通过化学 反应形成产物所经历的全部途径和过程。
3-2 反应机理及其研究方法
二、反应机理的一般研究步骤
对一个反应提出理论假设：在已有实验事 实基础上并与现有理论相符； 设计并进行实验，检验假设； 如果新的实验结果与假设相符，在假设中 所有可供检验因素均已被实验证实后，对 假设作出推断，可作为该反应的机理；显 然该机理要能解释得到的所有产物及其有 关性质，包括由副反应形成的产物在内。 如果新的实验结果与假设不符，可重新提 出假设。
3. 同位素标记
（1）同位素效应
过渡态 Δ GH ≠ Δ GD ≠
R R
H D
一级动力学同位素效应氕取代和氘取代的零点振动能
3. 同位素标记
CHCH3
+
CH2
CCH2CH3 CH3
三、反应机理的研究方法 1. 反应产物和副产物的鉴定
例3：von Richter反应
The von Richter Reaction: A Case History
In 1871, von Richt er reported t he following observat ions: NO 2 KCN EtO H/H 2 O reflux COOH + KNO 2
三、反应机理的研究方法 2. 反应活性中间体的研究
（1）反应活性中间体的分离 在反应活性中间体具有一定的稳定 性，可在低温下或其它可控制的条 件下使反应停留在中间体阶段一定 时间而不立即变为产物，以适当的 手段将中间体分离出来。
CF3 NO2F, BF3
CF3
+
CF3 BF4H NO2 > -50℃ NO2
Z
NO 2
KCN EtO H/H 2 O reflux Z
COOH + " acidic tars" + KNO 2
5%-50% yields Based on the above: 1. Direct displacement of t he nit ro group is eliminat ed from consideration. 2. A benzyne int ermediate is ruled out . In t he case of para-subst itut ed nitrobenzenes, benzyne interm ediat es would give bot h met a- and para-subst it ut ed benzoic acids.
CN COOH N2 + H 2O COOH
Supporting Evidence for the Rosenblum Mechanism
Ullman & Bartkus (1962): NH NH C O hydrazide P b(OAc)4 C O diazene N N KCN EtO H/H 2 O reflux COOH + N2
N
CN
-
-
O
+
O C O
-
-
O N
O C O
-
O N
O C N H
N
hydrolysis ( NH
3
)
H OH O H
+
O H C O
-
N
O C
N O
O hydrolysis COOH + NO 2
-
an acyl nit rit e
Rosenblum Observations (1960)
Observation I: Inst ead of nit rite, molecular nit rogen was a by-product of t he von Richt er reaction. Apparent ly, in t he 1871 von Richt er paper, nitrit e had never been demonstrated to be a by-product. It had been deduced based on stoichiometry considerations. In t he revised Bunnet t mechanism, amm onia and nit rit e are stipulat ed by-products of the von Richter reaction. Ammonia and nit rit e can react t o form ammonium nitrit e which, upon heat ing, decom poses t o give molecular nitrogen and wat er. NH 3 t o an on-going von Richt er reaction, Upon addit ion of t he only molecular nit rogen obt ained contained no nitrogen-15! If t he revised Bunnet t mechanism were correct , the added NH 3 and the expelled NO 2 (from t he last st ep) should have produced N
三、反应机理的研究方法 1. 反应产物和副产物的鉴定
对反应提出的任何一个机理，显然要能 解释得到的所有产物及其有关性质，包括由 副反应形成的产物在内。
三、反应机理的研究方法 1. 反应产物和副产物的鉴定
例1：Gomberg 1900年认为Ph3C. 自由基所 形成的无色二聚体为Ph3C-C Ph3，直到1968 年Lanhamp采用NMR和UV-Vis技术确定了 该二聚体的结构。
Accepted Mechanism for the von Richter Reaction
-
O
+
O
-
O
+
O
-
-
O
+
O C NH H CN -
-
O N
N + CN
-
N C N H H OH
N
O C NH
O N N C O H H 2O H 2O OH N N C O HO N NH C O HO H N O C NH
von Richter Reaction: Bunnett Mechanism (1954)
In 1954, Bunnett et al. proposed the following mechanism t o account for the known facts pert aining t o the von Richter react ion: H Z NO 2 + CN H OH Z H CN NO 2
14 15 15
P oint of Interest:
However:
15
N.
Observation II: COOH
15
Cl
NO 2
KCN EtO H/H 2 O reflux
Cl
+
15
N
14
N
Conclusion:
One nit rogen at om must come from the nit ro group, and t he second must com e from t he cyano group!
三、反应机理的研究方法 1. 反应产物和副产物的鉴定
例2：
(CH3)3CCH2Br
+
C2H5ONa
C2H5OH 55℃
(CH3)3CCH2OC2H5
+
NaBr
(CH3)3CCH2Br
+
H2O
C2H5OH 95℃
(CH3)2CCH2CH3 OH
+
+
(CH3)2CCH2CH3 OC2H5
(CH3)2C
Question:
W hat can one conclude from t he above observat ions?
von Richter Reaction: Revised Bunnett Mechanism
-
O
+
O
-
O
+
O
-
-
O
+
O C N H H
N + CN -
N C N H H OH
Cl
NaNH2
NH3
NH2
O
O
Br+ CH2 CH2 Br2 H2C CH2 ClBrCH2CH2Cl NO3BrCH2CH2ห้องสมุดไป่ตู้NO2 BrCH2CH2Br
三、反应机理的研究方法 2. 反应活性中间体的研究
（4）可疑反应活性中间体的否定 对于可疑的活性中间体，若能用其他 方法得到，那么在同样条件下应该得 到同样的产物，这种方法可以提供结 论性的否定证据：如果得不到同一产 物，既可以断定可疑中间体并非反应 活性中间体；但是若得到了同一产物， 还或许是巧合产生的，故不能作为结 论性证明。
Ibne-Rasa & Koubek (1963): NH 2 C NH 2 O
N RCO 3 H O C NH 2 O o-nitrosobenzamide
KCN EtO H/H 2 O reflux COOH
+
N2
三、反应机理的研究方法 2. 反应活性中间体的研究
在许多反应过程中会出现一个或多 个反应活性中间体，它们稳定性是 不同的，有的可以分离，大多数中 间体非常活泼，无法分离。中间体 的确认，可为反应机理提供最有力 的证据。